下坂地水庫深埋長引水發(fā)電洞主要工程地質(zhì)問題及評價

焦振華

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001)

1 概況

下坂地水利樞紐工程是新疆塔里木河流域近期綜合治理中的唯一重點山區(qū)水庫工程，是以生態(tài)補水和春旱供水為主，結(jié)合發(fā)電的綜合性水利樞紐工程。水庫總庫容8.67億 m3，調(diào)節(jié)庫容6.93億m3，電站總裝機150 MW，保證出力35.9 MW，年發(fā)電量4.644億KW·h，是2015年喀克兩地市電力系統(tǒng)調(diào)峰的骨干電源之一。

引水發(fā)電洞位于壩軸線左岸上游約240 m處，進口底板高程2 905 m，洞徑 5.2 m，引水隧洞長 4614.875 m，設(shè)計最大流量89.69m3/s。屬3級建筑物。

2 引水發(fā)電洞工程地質(zhì)條件

引水發(fā)電洞為下坂地水利樞紐的主要組成部分。工程區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，前人所做工作很少，可利用資料缺乏。因此詳細(xì)查明引水發(fā)電洞的工程地質(zhì)條件，準(zhǔn)確預(yù)測、預(yù)報引水發(fā)電洞內(nèi)可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害和特殊地質(zhì)問題，才能為引水發(fā)電洞的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 地形地貌

引水發(fā)電洞線地處帕米爾高原西昆侖剝蝕山區(qū)，最大埋深1 380 m。洞線穿越的山峰海撥高程一般為4 000 ～5 000 m，河谷高程一般為3 000～1 900 m，相對高差一般2 000 m左右，工程區(qū)高寒、低壓、缺氧、地形總體呈山高、坡陡、谷深、巖石裸露、無植被的特點。

2.2 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性

工程區(qū)地處帕米爾高原，位于米亞活動斷裂帶和喀喇昆侖活動斷裂帶圍限的構(gòu)造上相對穩(wěn)定的帕米爾～西昆侖抬升塊體內(nèi)，地震基本烈度為8度。根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果分析，工程區(qū)以自重應(yīng)力為主，其量級屬中等地應(yīng)力水平。

2.3 地層巖性

洞身穿越角閃黑云二長片麻巖占洞長4/5，尾端為華力西期片麻狀黑云斜長花崗巖。

角閃黑云二長片麻巖飽和抗壓強度Rb=90Mpa～150Mpa，片麻狀黑云斜長花崗巖飽和抗壓強度Rb=60Mpa～90Mpa，屬堅硬巖。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，穿越洞線的9條斷層以近SN走向(與洞線近垂直，對洞室穩(wěn)定有利)，張性為主，NW向壓性斷裂為次，傾角大多60°左右，少數(shù)傾角25°～35°，破碎帶大多0.5 m左右，個別2 m～3 m。估計洞線還將穿越一定數(shù)量的斷層，但其規(guī)模，影響程度不會超過已發(fā)現(xiàn)的9條斷層。

洞身巖體呈厚層狀、塊狀，主要發(fā)育兩組裂隙，(1)組產(chǎn)狀315°～327°/SW∠55°～85°(2)組產(chǎn)狀 352°～10°/NE∠20°～50°，裂隙少，裂面閉合無充填，延伸長度一般小于5m，連通率小，裂隙走向與洞線走向大角度相交或近于垂直，對洞室圍巖穩(wěn)定有利。經(jīng)施工開挖揭示的斷層、節(jié)理、裂隙的特征與前期勘察結(jié)論基本一致，洞室穩(wěn)定性好。

2.5 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水主要靠季節(jié)性融雪補給，地下水以淺循環(huán)為主，按地下水賦存條件與水力性質(zhì)，地下水類型可分為基巖風(fēng)化裂隙水、構(gòu)造水及第四系孔隙潛水三種類型。

根據(jù)壓水試驗統(tǒng)計，巖體的透水性隨深度增加而變小。分析認(rèn)為與結(jié)構(gòu)面的張開度密切相關(guān)。洞線除哈木勒堤溝及斷層通過地段透水性較大需采取排水措施外，一般透水性較弱。施工揭示洞室滲水的特點是以斷層帶和裂隙集中帶為其主要通道，水量一般不大，采用一般性排水措施均可排除。

3 引水發(fā)電洞的主要工程地質(zhì)問題及評價

3.1 圍巖穩(wěn)定性問題

洞頂埋深30～1 380 m，圍巖基本為微風(fēng)化～新鮮，強度較高，圍巖穩(wěn)定性總體較好。對洞室圍巖穩(wěn)定性影響較大的主要是斷層。在通過洞線的9條斷層中，6條埋深小于300 m，對洞室穩(wěn)定性影響較大，其余3條埋深大于300 m，斷層帶窄，斷帶物質(zhì)緊密，透水性差，對成洞有利。

根據(jù)探硐開挖揭示的地質(zhì)特征，結(jié)合(GB50287－99)附錄P的分類標(biāo)準(zhǔn)，洞室?guī)r體穩(wěn)定性分段評價如下:

樁號0+000～1+230.275段，洞身位于角閃黑云二長片麻巖，洞頂圍巖厚度30 m～290 m，巖層走向為310°，傾向SW，傾角60°，洞線與巖層走向夾角為84°，對洞室穩(wěn)定有利，巖體縱波速 2 000 m/s～3 500 m/s，f=5，Ko=50 MPa/cm，屬Ⅲ類巖體。該段洞線穿過 F58、F63、F60、F61、F64等斷層，破碎帶寬度一般0.1 m～1.0 m，最大寬度12 m，局部屬不穩(wěn)定組合體，斷層帶附近為V類圍巖。

樁號1+230.275～1+380.275段，洞線穿越哈木勒提溝，據(jù)物探鉆探資料揭示，覆蓋層厚度29.2 m～43 m，洞頂圍巖厚度約 60 m，巖體呈微風(fēng)化，巖體縱波速2 500 m/s，f=5，Ko=50 MPa/cm，屬Ⅲ類圍巖，圍巖局部穩(wěn)定性稍差。

樁號1+380.275～3+830.275段，洞線穿越角閃黑云二長片麻巖，巖層走向為330゜，傾向 SW，傾角60゜，洞線方向與巖層走向夾角為60゜，對洞室穩(wěn)定有利，該段巖體完整，呈微風(fēng)化，f=8，Ko=100 MPa/cm，屬基本穩(wěn)定的Ⅱ類圍巖。洞頂圍巖厚度100 m～1 400 m，屬深埋隧洞。在1+590.275～2+420.275段洞線穿越 F97、F96、F95 等斷層，斷層帶寬度多在0.1 m～0.5 m，充填物為巖脈或角礫碎塊，較堅密，且順層發(fā)育，對洞室穩(wěn)定影響不大。

樁號3+830.275～4+614.875段，為華力西期片麻狀黑云斜長花崗巖，巖石堅硬完整，洞頂圍巖厚度110 m～500 m，f=9，Ko=110MPa/cm，圍巖屬穩(wěn)定的Ⅱ類圍巖。

洞線埋深較大，巖石多為堅硬巖，洞身圍巖以Ⅱ(68.3%)、Ⅲ(占 30.5%)類為主，圍巖的完整性，穩(wěn)定性較好，巖體強度高，成洞條件好。建議對洞身中的V類圍巖加強支護并襯砌，Ⅱ、Ⅲ類圍巖應(yīng)進行襯砌。根據(jù)施工開挖情況及洞室變形測量資料，施工圖階段對洞室襯砌型式進行了優(yōu)化，Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯砌型式由鋼筋混凝土襯砌改為錨噴處理。

3.2 涌水問題

工程區(qū)賦存的風(fēng)化帶基巖裂隙水因洞室埋芷較深，對洞室影響甚微。影響較大的主要為過溝淺埋段的松散巖類孔隙裂隙水及構(gòu)造裂隙水。

洞室通過哈木勒提溝淺埋段。地表松散巖類孔隙裂隙水較豐富，存在集中涌水問題。建議施工加強排水措施。

洞室單個斷層寬度較小，結(jié)合緊密，導(dǎo)水性差，其補給水源為遠(yuǎn)源高山融雪補給，水量有限，因此，構(gòu)造裂隙水產(chǎn)生隧洞高壓涌水的問題不突出。

經(jīng)施工開挖過溝段洞室涌水量觀測，巖斷層帶及裂隙面滲水明顯，但涌水量較予計的要小。排水效果好，可形成良好的排水漏斗。

3.3 外水壓力

通過壓水試驗成果分析，一般裂隙巖層的透水性隨埋深增大而變?nèi)?，說明隨埋深增大，巖體完整性變好，巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)量變少，張開度變小，裂隙水越來越少，因此除哈溝淺埋段及斷層破碎帶外，外水壓力一般不大。

3.4 地應(yīng)力及巖爆

引水發(fā)電洞進出口段鉆孔水壓致裂法及鉆孔應(yīng)變解除法地應(yīng)力測試表明，側(cè)壓力系數(shù)均大于1，3個主應(yīng)力關(guān)系表明水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位，應(yīng)力狀態(tài)主要受區(qū)域地形地貌的影響，符合峽谷地形地應(yīng)力場的分布規(guī)律，最大主應(yīng)力量值4 Mpa～10 Mpa，屬中等地應(yīng)力水平，洞身段地應(yīng)力場回歸計算分析表明，引水發(fā)電洞最大埋深附近側(cè)壓力系數(shù)小于1，地應(yīng)力場以自重應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力量值大于20 Mpa，方向NW10°左右。

根據(jù)工程區(qū)地應(yīng)力實測資料和洞身巖石室內(nèi)力學(xué)試驗參數(shù)，從地應(yīng)力角度，運用《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)標(biāo)準(zhǔn)判別法及 Russenes、Turchaninov、Hoek巖爆判別法分析研究表明，引水發(fā)電洞進出口段及淺埋段巖體基本上不會產(chǎn)生巖爆，在引水發(fā)電洞埋深大于550m洞段可能發(fā)生中等巖爆～嚴(yán)重巖爆。對巖爆，一方面施工中要合理控制開挖進度，采取強化圍巖(超前錨桿)及弱化圍巖(超前鉆孔高壓注水)的措施，另一方面，可采用聲發(fā)射儀對巖體內(nèi)的聲波加強監(jiān)測以分析巖爆發(fā)生的可能性等。

施工中在埋深300 m洞段中，側(cè)壁發(fā)生有片狀輕微巖爆，面積一般在1 m2左右。

3.5 有害氣體

引水發(fā)電洞出口200 m深的平硐測到的有害氣體有:一氧化碳、二氧化碳、氡氣及氡短壽命子體。其中二氧化碳，氡氣及氡短壽命子體均超標(biāo)。施工過程中要及時封閉圍巖，加強通風(fēng)及監(jiān)測，以確保工作人員的身體健康及生命安全。

4 結(jié)論

引水發(fā)電洞整體地質(zhì)條件較好，但仍然存在斷層破碎帶圍巖失穩(wěn)，過溝淺埋段圍巖涌水地質(zhì)災(zāi)害及巖爆、有害氣體等特殊地質(zhì)問題，地下洞室開挖施工過程中，在勘測階段預(yù)測的基礎(chǔ)上，加強了施工地質(zhì)超前預(yù)報及監(jiān)測工作。施工地質(zhì)人員及時編錄、分析、反饋了施工開挖后圍巖地質(zhì)條件的變化信息，提出了相應(yīng)的處理措施與建議，優(yōu)化了設(shè)計，節(jié)約了投資，縮短了工期。

深埋長隧洞的勘察，地質(zhì)工作應(yīng)貫穿于工程全過程，不斷發(fā)現(xiàn)和解決問題，做到信息化勘察，動態(tài)設(shè)計，結(jié)論和意見是可變的，隨著勘察階段的深入，施工開挖，積累資料的增多，對問題的認(rèn)識會更接近客觀實際。